CN108834358A - 开关组件及使用该开关组件的开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及一种开关组件及使用该开关组件的开关电源，所述开关组件包括：开关；设置在所述开关的一侧并与所述开关耦合的金属片；其中所述开关电源包括金属外壳，所述开关组件绝缘贴合到所述金属外壳。利用金属外壳将开关上发出的热量散出，使得作为发热体的开关可以最大限度的靠近作为散热部件的具有较大散热面积的金属外壳，在提高散热效率的同时节约了空间。

Description

开关组件及使用该开关组件的开关电源

技术领域

本发明专利涉及开关电源，尤其涉及在开关电源中使用的开关组件。

背景技术

半导体开关广泛用于各种电路中。与机械开关相比，半导体开关具有很多优点，例如，寿命长(机械式开关断开时起弧、触头磨损，半导体开关没有磨损)、工作频率高、可靠性高、使用安全、电磁干扰低等等。

半导体开关元件具有许多种类，例如，双极型晶体管、快速晶闸管、可关断晶闸管、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET和绝缘栅双极型晶体管等。

开关电源是通过控制开关闭合和断开的时间比率来维持稳定输出电压的一种电源。具体而言，利用电容器、电感器的储能的特性，通过可控开关(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET等)进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容器或电感器里，当开关断开时，将电能再释放给负载来提供能量。其输出的功率或电压的能力与占空比，即开关导通时间与整个开关的周期的比值有关。

然而，随着电力电子技术的高速发展，对开关电源提出了更加高频化、高转换效率、高功率密度以及低噪声等要求。

发明内容

发明专利所要解决的问题

在实际应用中，一般开关电源的电路基板周围都设置有起保护、屏蔽等作用的金属外壳。这种情况下，金属外壳与开关之间会产生一个寄生电容。在开关频率较高的情况下，该寄生电容会对开关电源造成明显的干扰。

因此，需要一种能够减小或去除这种寄生电容对开关电源造成的干扰 的开关辅助装置。

用于解决技术问题的技术手段

为了克服现有技术中存在的上述技术问题，本发明专利的一个实施例提供一种在开关电源中使用的开关组件，所述开关组件包括：开关；设置在所述开关的一侧并与所述开关耦合的金属片；其中所述开关电源包括金属外壳，所述开关组件绝缘贴合到所述金属外壳。该方案的效果是：金属片与开关的漏极形成寄生电容，解决了金属外壳与开关之间的寄生电容对开关电源造成的干扰；另外，利用金属外壳将开关上发出的热量散出，使得作为发热体的开关可以最大限度的靠近作为散热部件的具有较大散热面积的金属外壳，在提高散热效率的同时节约了空间。

在本发明专利的实施例中，所述开关组件还包括设置在所述开关与所述金属片之间的绝缘导热层。该方案的效果是：该绝缘导热层降低金属片与开关的各电极的误接触可能，同时增加寄生电容的可靠性，使其不易被击穿。

在本发明专利的实施例中，所述开关是金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET开关，所述开关、所述金属片和所述绝缘导热层具有相同的端面形状，并且所述金属片还具有突出部，以便与所述MOSFET开关的源极电连接。该方案的效果是：使得开关组件的结构简化，节约了空间。

在本发明专利的实施例中，所述绝缘导热层通过粘接材料与所述金属片及所述MOSFET开关粘接形成层叠结构。在本发明专利的实施例中，所述绝缘导热层是绝缘导热粘接材料层，所述金属片与所述MOSFET开关通过所述绝缘导热粘接材料层粘接形成层叠结构。该方案的效果是：层叠结构的各层之间通过粘接固定，可防止各部件之间相对的位置改变。

在本发明专利的实施例中，所述开关组件还包括绝缘外壳，所述绝缘外壳的内壁紧贴所述层叠结构，下方露出MOSFET开关的电极。该方案的效果是：该绝缘外壳能进一步防止MOSFET的电极与金属外壳放电，提高开关电源的稳定性。

在本发明专利的实施例中，通过粘接材料将绝缘外壳固定到所述金属外壳上。该方案的效果是：该粘接材料可防止绝缘外壳与金属外壳之间的相对运动。

在本发明专利的实施例中，所述金属片夹在所述开关与所述金属外壳之间。金属片和MOSFET的漏极形成寄生电容，将金属片设置在离漏极近的MOSFET的一侧端面，MOSFET发热的源头是在漏极嵌入MOSFET内部的部分。因此漏极嵌入MOSFET内部的部分也应当离用于散热的金属外壳更近一些。该方案的效果是：有利于开关电源的散热。

在本发明专利的实施例中，所述金属片通过绝缘粘接材料贴合到所述金属外壳，所述绝缘粘接材料的涂覆区域延伸至金属外壳在与金属片粘接的区域外围。该方案的效果是：层叠结构外没有阻隔，可以更好的散热，绝缘粘接材料延伸到外围防止开关对金属外壳放电。

在本发明专利的实施例中，使用夹子将所述开关组件固定到所述金属外壳上。该方案的效果是：夹子对开关的压力分布均匀，开关不易损坏并且能增强散热效果。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出了根据本发明的一个实施例的升压变换器。

图2示出了金属外壳与MOSFET开关产生寄生电容的等效电路图。

图3A示出了用于降低寄生电容所导致的干扰的结构的立体图。

图3B示出在变换器的操作过程中存在寄生电容Cp和寄生电容Cxeq情况下的等效电路图。

图4示出根据本发明专利另一个实施例的用于降低寄生电容所产生的干扰的结构的分解图。

图5示出了MOSFET开关与绝缘导热层、金属片层叠在一起的结构的示意图。

图6示出了根据本发明专利的又一个实施例的设置在开关层叠结构上的绝缘外壳。

图7示出根据本发明专利的一个实施例将绝缘外壳直接附连到金属外壳的立体图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明专利的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

在开关电源的工作期间，半导体开关元件以高频切换(通常高达兆赫级)，因此，需要对开关电源进行保护和屏蔽。另一方面，半导体开关在高频切换过程中会产生热量，因此需要为半导体开关设置相应的散热器。

以下接合图1示出的升压变换器描述一种用于开关电源中的半导体开关的辅助装置。然而，应当理解，本发明专利所披露的开关辅助装置不仅适用于图1所示的升压变换器，而且还适用于其它各种电路结构中。

图1示出了根据本发明的一个实施例的升压变换器100。升压变换器100包括：高侧电容器C1、高侧电阻器R1、低侧电容器C2、低侧电阻器R2、第一至第四二极管D1-D4、MOSFET开关Q1。在高侧电阻器R1与低侧电阻器R2的连接节点处接地。

在理想状态下的升压变换器100的操作过程中，当MOSFET开关Q1导通时，电流IDM沿图1中虚线箭头所指示的方向流动。

在一般情况下，图1所示的变换器电路100形成在电路板上，并且在电路板周围设置金属外壳。该金属外壳一方面用于保护并屏蔽变换器电路免受外部 环境影响。另一方面，该金属外壳用于对变换器电路进行接地。

然而，在变换器的实际工作过程中，金属外壳会与变换器中的某些组件产生寄生电容。例如，在图2中示出了金属外壳与MOSFET开关Q1产生寄生电容Cp的等效电路图。

如上图2所示，当在MOSFET开关Q1导通时，MOSFET开关Q1与接地节点之间形成电容CB。寄生电容Cp、电容CB均连接至接地节点。在变换器的工作期间，在MOSFET开关Q1、寄生电容Cp、电容CB所形成的回路中，产生干扰电流Icm。干扰电流Icm沿图2中虚线箭头所指示的方向流动(电流流经金属外壳)。在开关频率较高的情况下，干扰电流Icm会对变换器产生非常明显的干扰。

为了降低干扰电流Icm对变换器产生的干扰，设计了一种通过将输入到变换器的输入Icm分流到其它电流回路来降低干扰的结构。图3A示出了用于降低寄生电容所导致的干扰的结构的立体图。

从图3A所示的结构示意图可以看到，MOSFET开关301与基板305上的电路电连接。散热板302直接附连于MOSFET开关301的一面上，散热板302通常由导体制成。散热板302与固定单元303(导体)一同夹持MOSFET开关301，固定单元303的一部分固定并电连接于金属外壳304。散热板302与MOSFET开关301的源极电连接。

由于散热板302是导体，散热板302与MOSFET开关301会产生一个寄生电容Cxeq，该电容Cxeq的两个电极分别是散热板302和MOSFET开关301的漏极。

图3B示出在变换器的操作过程中存在寄生电容Cp和寄生电容Cxeq情况下的等效电路图。

从图3B的电路图可以看出，由于在电路中存在寄生电容Cxeq，在MOSFET开关301与寄生电容Cxeq之间形成新的电流回路310，如图3B所示。本来要流到输入侧的电流Icm中的大部分会分流到电流回路310中，并且在该电流回路310中消耗掉，由此使得对输入端的干扰降低。

在图3A所示的结构中，利用散热板302与MOSFET开关301形成寄生电容Cxeq，形成电流回路310，从而减小进入变换器输入端的干扰电流。

然而，从图3A可以看出，散热板302的体积一般比较大，造成变换器整体很难小型化。另一方面，MOSFET开关301的栅极可能对散热板302或者固定单元303放电，造成不良影响。

因此，为了进一步优化本发明专利的方案，图4示出根据本发明专利另一个实施例的用于降低寄生电容所产生的干扰的结构的分解图。

如图4所示，MOSFET开关401与绝缘导热层402、金属片403形成层叠结构。MOSFET开关401、绝缘导热层402和金属片403具有相同或近似的端面形状。并且绝缘导热层402设置MOSFET开关401和金属片403之间。金属片403的下方设置有突出部413。可通过各种加工方法使突出部413朝向MOSFET开关401弯折，使得当MOSFET开关401、绝缘导热层402与金属片403层叠在一起时，MOSFET开关401的源极411可以与该突出部413接触，以形成电连接。

图5示出了MOSFET开关401与绝缘导热层402、金属片层403叠在一起的结构500的示意图。

在一个实施例中，可在绝缘导热层402的两面上涂覆粘接材料，从而与金属片403及MOSFET开关401粘接。该粘接材料可以是具有高导热率和良好的电绝性的导热胶，例如，有机硅导热胶，环氧树脂AB胶，聚氨酯胶，导热硅脂等。

在本发明专利的另一个实施例中，绝缘导热层402本身就是一层绝缘并导热性能好的粘接材料层，例如环氧树脂导热绝缘胶等。

在变换器通电运行过程中，发热的热源是MOSFET开关401，热量通过绝缘导热层402传递至金属片403。

由于金属片403、绝缘导热层402与MOSFET开关401的端面形状几乎相同，使得用于MOSFET开关401的层叠结构体积显著减小，从而大大节省了变换器电路板上的有效面积。并且，通过在金属片403与MOSFET开关401之间设置绝缘导热层402，可避免MOSFET开关401的栅极对金属片403放电，从而消除了潜在的不良影响。

为了进一步避免MOSFET开关对变换器金属壳放电，本发明专利进一步构想出在叠层结构500上设置一层绝缘外壳。

图6示出了根据本发明专利的又一个实施例的设置在开关层叠结构上的绝缘外壳600。

如图6所示，绝缘外壳600的内壁紧贴开关层叠结构500，下方露出MOSFET开关的电极，可将露出的电极焊接到变换器的电路板上。通过在开关层叠结构500上形成绝缘外壳600，可防止MOSFET开关向变换器的金属外壳放电。

在一个实施例中，可预先制备绝缘外壳600，使其尺寸与开关层叠结构相匹配。然后，将绝缘外壳600直接套在开关层叠结构，从而形成图6所示的结构。

在另一个实施例中，可通过涂刷、浸涂、喷涂等方法将热塑料性或热固性树脂施加在开关层叠结构上，使得除MOSFET开关的电极以外的表面全部被包覆，从而形成绝缘外壳600。

在变换器运行期间，MOSFET开关会发热。为了对MOSFET开关进行散热，也可以设置在每个MOSFET开关上设置单独的如鳍状散热片等大型散热附件，以期获得良好的散热效果，但设置大型散热附件会增加MOSFET开关的体积，而且还会增加制造的复杂度和成本。

为了克服MOSFET开关组件体积大、制造复杂、成本高的缺点，本发明专利构想出另一种MOSFET开关的组装方案。图7示出根据本发明专利的一个实施例将绝缘外壳直接附连到金属外壳的立体图。

如图7所示，带有绝缘外壳的MOSFET开关组件701直接附连到变换器的金属外壳702上。金属外壳702的面积非常大，因此还可以用作MOSFET开关组件701的散热器。相对于为MOSFET开关组件单独设置鳍状散热片，利用金属外壳702作为散热器能够节省大量空间。换言之，金属外壳702代替了散热片的功能。由于金属外壳的散热面积远大于散热片，所以散热效率要高于为MOSFET开关组件单独设置散热片的方案。

在本发明专利的一个实施例中，还可使用金属夹子703将带有绝缘外壳的MOSFET开关组件701固定到金属外壳702上，这时绝缘外壳的外侧一端面紧贴金属外壳702，以便于散热。

也就是说，在该实施例中，不需要单独设置散热板即可获得散热功能。图 7中固定金属夹子的螺栓704并未穿过MOSFET开关组件。然而，本领域的技术人员应意识到固定MOSFET开关组件的方式并不限于使用金属夹子703的方式，只要使得金属片可以贴合到金属外壳702上即可。例如，可通过导热胶MOSFET开关组件粘贴至金属外壳702。或者可通过在金属外壳702顶端设置的各种弹簧夹将MOSFET开关固定至金属外壳702。

在本发明专利的一个实施例中，将带有绝缘外壳的MOSFET开关组件401贴合到金属外壳702时，MOSFET开关层叠结构中的绝缘导热层402和金属片403被放置在MOSFET开关401与金属外壳702之间，而不是将MOSFET开关401直接贴到金属外壳702上。这是因为金属片403和MOSFET开关401的漏极形成寄生电容Cxeq的两级，而金属片应当设置在离漏极近的MOSFET开关的一侧端面，而MOSFET开关401发热的源头是在漏极嵌入MOSFET开关401内部的部分，漏极嵌入MOSFET开关401内部的部分也应当离散热作用的零部件更近，即，更接近离本实施例的金属外壳702。

以下的表1示出了将MOSFET开关组件直接附连于在金属外壳上的方案与为MOSFET开关组件单独设置散热片的效果对比。

表1

以上测试外部环境温度均为25摄氏度，测温点为MOSFET开关未贴附于金属外壳的一侧，运行1小时后每5分钟检测一次温度。

从以上的表1可以看出，将MOSFET开关组件直接附连于在金属外壳上 的方案优于为MOSFET开关组件单独设置散热片的效果，而利用金属夹子固定MOSFET开关组件会进一步增强散热效果。

在发明专利的一个实施例中，可以不为金属片403、绝缘导热层402与MOSFET开关401的层叠结构设置绝缘外壳，而是使金属片403通过绝缘粘接材料贴合到金属外壳，该绝缘粘接材料的涂覆区域延伸至金属外壳702在与金属片403粘接的区域外围。还可使用金属夹子703将开关组件固定到金属外壳702上，这时绝缘外壳的外侧一端面紧贴金属外壳702，以便于散热。

尽管上文描述了本发明专利的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明专利的精神和范围。因此，此处所公开的本发明专利的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (9)

1.一种在开关电源中使用的开关组件，其特征在于，所述开关组件包括：

开关；

设置在所述开关的一侧并与所述开关耦合的金属片；

其中所述开关电源包括金属外壳，所述开关组件绝缘贴合到所述金属外壳。

2.如权利要求1所述开关组件，其特征在于，所述开关组件还包括设置在所述开关与所述金属片之间的绝缘导热层。

3.如权利要求2所述开关组件，其特征在于，所述开关是金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET开关，所述开关、所述金属片和所述绝缘导热层 具有相同的端面形状，并且所述金属片还具有突出部，以便与所述MOSFET 开关的源极电连接。

4.如权利要求3所述开关组件，其特征在于，所述绝缘导热层通过粘接材料与所述金属片及所述MOSFET开关粘接形成层叠结构。

5.如权利要求3所述开关组件，其特征在于，所述绝缘导热层是绝缘导热粘接材料层，所述金属片与所述MOSFET开关通过所述绝缘导热粘接材料 层粘接形成层叠结构。

6.如权利要求4或5所述开关组件，其特征在于，所述开关组件还包括 绝缘外壳，所述绝缘外壳的内壁紧贴所述层叠结构，下方露出MOSFET开关 的电极。

7.如权利要求6所述开关组件，其特征在于，通过粘接材料将绝缘外壳固定到所述金属外壳上。

8.如权利要求1-5中的任一项所述开关组件，其特征在于，所述金属片夹在所述开关与所述金属外壳之间。

9.如权利要求1-5中的任一项所述开关组件，其特征在于，所述金属片通过绝缘粘接材料贴合到所述金属外壳，所述绝缘粘接材料的涂覆区域延伸至 金属外壳在与金属片粘接的区域外围。